DE69709301T2

DE69709301T2 - Verbrennungsverfahren und Vorrichtung mit getrennter Einspritzung von Brennstoff und Oxidationsmittel

Info

Publication number: DE69709301T2
Application number: DE69709301T
Authority: DE
Inventors: Louis Philippe
Original assignee: Air Liquide SA; LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Current assignee: Air Liquide SA; LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Priority date: 1996-11-25
Filing date: 1997-11-24
Publication date: 2002-08-08
Anticipated expiration: 2017-11-25
Also published as: KR19980042686A; EP0844433A2; US5975886A; SG54600A1; DK0844433T3; JPH10238711A; US6074197A; CA2221331A1; AU4438497A; AU726896B2; BR9705062A; DE69709301D1; AR022989A1; EP0844433A3; US6331107B1; ZA979959B; TW336985B; ID19001A; EP0844433B1

Description

Hintergrund der Erfindung

1. Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Vebrennungsverfahren und eine Vorrichtung hierfür, das bzw. die Mittel zum Einleiten eines Brennstoffs und eines Oxidationsmittels in getrennten Strömen in die Brennkammer eines Ofens bereitstellt, so daß der Brennstoff mit dem Oxidationsmittel in einer breiten, leuchtenden Flamme verbrennt, und wodurch bei der Verbrennung des Brennstoffs mit dem Oxidationsmittel verringerte Mengen an Stickoxiden (NOx) gebildet werden.

2. Stand der Technik

Das Gebiet der Erfindung betreffende Verbrennungsapparaturen werden in den Patentschriften EP-A-0754912, US-A-4927357 und US-A-2149980 beschrieben.
Bei technischen Hochtemperaturverfahren, wie z. B. beim Schmelzen von Glas oder Fritten und bei der Verhüttung von Eisen- und Nichteisenmaterialien, werden verschiedene Rohmaterialien unter hohem Energieaufwand in ein heißes schmelzflüssiges Produkt umgewandelt, welches dann vergossen, abgeformt oder in weiteren Stufen des technischen Verfahrens anderweitig genutzt wird. Dieser Arbeitsgang wird im allgemeinen in Großöfen durchgeführt, in denen bis zu 500 Tonnen schmelzflüssiges Material pro Tag erzeugt werden können. Bei einer bevorzugten Methode zur Zuführung der Energie verbrennt man im Ofen einen fossilen Brennstoff, wie z. B. Erdgas, zerstäubtes Heizöl, Propan oder dergleichen, mit einem sauerstoffhaltigen Oxidationsmittel. In einigen Fällen wird die Verbrennung durch elektrisches Heizen unterstützt. Meistens leitet man den Brennstoff und das Oxidationsmittel durch Brenner in den Ofen ein, um Flammen zu erzeugen. Der Energietransfer von den Flammen zu dem zu schmelzenden Material ergibt sich aus der Kombination von Konvektion an der Oberfläche des Materials und Strahlung auf die Oberfläche oder in das Material, sofern es für die Strahlung durchlässig ist. Stark strahlende Flammen (die in der Regel als leuchtende Flammen bezeichnet werden) werden in der Regel bevorzugt, da sie einen besseren Wärmetransfer und somit höheren Brennstoff liefern.
Für das Erhitzen mittels Flammen ist es auch sehr wichtig, daß die Energie von der Flamme über der Oberfläche des zu schmelzenden Materials gleichmäßig verteilt ist. Ansonaten können im Ofen heiße und kalte Bereiche nebeneinander vorliegen, was nicht wünschenswert ist. Die Qualität von Produkten, die mit in einem derartigen Ofen erschmolzenem Material hergestellt werden, ist häufig schlecht. Beispielsweise können in einem Bad aus schmelzflüssigem Glas in kalten Bereichen Glassteine vorliegen, während in heißen Bereichen eine beschleunigte Verdampfung von Glas stattfinden kann. Außerdem sind breite Flammen bevorzugt, da sie eine bessere Badabdeckung liefern.
In vielen Ländern, insbesondere in den Vereinigten Staaten, werden in bezug auf NOx-Emissionen immer strengere Vorschriften erlassen. Es ist daher wichtig, Verbrennungstechniken mit eingeschränkter NOx-Bildung zu entwickeln. Bei Verfahren, bei denen sehr hohe Temperaturen auftreten, wird die NOx-Bildung durch lange Verweilzeiten von Sauerstoff- und Stickstoffmolekülen in heißen Bereichen der Flamme und des Ofens gefördert. Es hat sich erwiesen, daß man durch Verwendung von weitgehend reinem Sauerstoff (etwa 90% O&sub2; oder mehr) als Oxidationsmittel anstelle von Luft die NOx-Emissionen um bis zu 90% verringern kann, da der gesamte Stickstoff eliminiert wird. Durch den Ersatz von Luft durch weitgehend reinen Sauerstoff wird jedoch die Flammentemperatur erhöht, so daß im Ofen Bereiche mit hoher Reaktivität von Stickstoff gegenüber Sauerstoff entstehen, in denen die NOx-Bildung entsprechend ansteigen kann, selbst wenn sie im Vergleich zur Verbrennung mit Luft insgesamt verringert ist. Außerdem ist es in der Praxis unmöglich, den gesamten Stickstoff aus einem Ofen zu eliminieren, da technische Öfen gegenüber Luftlecks nicht dicht sind, der Brennstoff in der Regel etwas Stickstoff enthält und Sauerstoff aus nichtkryogenen Quellen, wie z. B. mit Hilfe einer Vakuumwechseladsorptionsanlage (Vacuum Swing Adsorption, VSA) eine kleine Reststickstoff- Konzentration enthält.
Bei herkömmlichen Verfahren zur Verbrennung von Brennstoff und Sauerstoff zur Beheizung von Öfen kommen Postmix-Sauerstoff/Brennstoff-Brenner zur Anwendung. Herkömmliche Sauerstoff/Brennstoff-Brenner weisen einen metallischen Körper mit Eingängen für einen Brennstoff und ein Oxidationsmittel mit hoher Konzentration an molekularem Sauerstoff und Mittel zum Transport der Ströme mit separaten koaxial orientierten Kanälen zu mehreren, an der Brennerspitze angeordneten Injektoren auf. Diese Brenner erzeugen Hochtemperaturflammen mit der Form eines schmalen Bleistifts an der Brennerspitze, die weit genug in den Ofen reichen muß, um eine Überhitzung der Ofenwände zu vermeiden oder zu verringern. Infolge der in Schmelzöfen anzutreffenden hohen Temperaturen sind diese Brenner u. a. mit dem wichtigen Nachteil behaftet, daß sie gekühlt werden müssen, in der Regel mit einem Mantel, in dem ein umlaufendes Fluid, wie z. B. Wasser, für die Kühlung sorgt. Ein derartiger Brenner wird beispielsweise in der britischen Patentschrift 1,215,925 beschrieben. Für den Kühlmantel können sich ernste Korrosionsprobleme ergeben, insbesondere dann, wenn die Ofenatmosphäre kondensierbare Dämpfe enthält.
Der gasgekühlte Sauerstoff/Brennstoff-Brenner stellt eine Verbesserung des wassergekühlten Brenners dar. Der Schutz des Brennerkörpers gegen die Ofenstrahlung erfolgt durch einen Feuerfeststein, der häufig als Brennerblock bezeichnet wird und einen weitgehend zylindrischen Hohlraum aufweist, der auf den Ofen mündet. Der Brenner ist in der Regel im hinteren Teil des Hohlraums angebracht und enthält in der Regel konzentrische Brennstoff- und Oxidationsmittel- Injektoren, die im Hohlraum von der Ofeninnenwand abgesetzt angeordnet sind. Der Stein und der Brenner werden durch einen peripheren ringförmigen Gasstrom, in der Regel das gasförmige Oxidationsmittel, gekühlt. Derartige Brenner werden z. B. in der US-PS 5,346,390 und der US-PS 5,267,850 beschrieben. Bei diesem Brennertyp beginnt die Verbrennung im Brennerblock vor dem Erreichen des Ufens. Daher wird die Flamme in dem zylindrischen Hohlraum begrenzt und als schmaler axialsymmetrischer Strahl durch diesen gelenkt und liefert keine ausreichende Abeckung der Schmelze im Ofen. Diese Flammen haben hohe Spitzentemperaturen und erzeugen verhältnismäßig große NOx-Mengen, da der Sauerstoff und der Brennstoff ohne Verdünnung durch die Verbrennungsprodukte direkt miteinander in Berührung kommen.
Diese gasgekühlten Brenner sind ferner mit dem Nachteil behaftet, daß sich die Flamme überhitzen und die Feuerfestwand des Ufens schädigen kann, da sie in der Wand selbst beginnt. Außerdem wird der Verschleiß des Feuerfestmaterials im allgemeinen durch Rezirkulationszonen unter der Flamme selbst beschleunigt, wenn die Ofenatmosphäre mit dem Feuerfestmaterial der Ofenwand eine chemische Reaktion eingeht, was die Lebensdauer des Ofens verkürzen kann.
In der britischen Patentschrift 1,074,826 und der US-PS 5,299,929 werden Brenner beschrieben, die mehrere alternierende Sauerstoff- und Brennstoff-Injektoren in parallelen Reihen zum Erhalt einer flacheren Flamme aufweisen. Dadurch wird zwar die Abdeckung der Schmelze verbessert, jedoch erzeugen diese Brenner immer noch verhältnismäßig große NOx-Mengen. Diese Brenner sind außerdem mit dem Nachteil behaftet, daß sie zum Erhalt einer flachen Flamme mechanisch komplex zu bauen sind.
Bekannt ist auch die Einleitung von Brennstoff und Oxidationsmittel durch Ströme aus separaten entfernten Injektoren in eine Brennkammer zur Erzeugung von Flammen, die von der Ofenwand abgesetzt sind, um den Verschleiß des Feuerfestmaterials zu verringern. Eine derartige Apparatur wird in der US-PS 5,302,112 beschrieben, wobei Brennstoff- und Oxidationsmittel- Strahlen in einem konvergierenden Winkel in einen Ofen eingeleitet werden, was eine gute Durchmischung der Oxidationsmittel- und Brennstoffgase am Konvergenzpunkt der beiden Strahlen ergibt und somit die Verbrennungsrate erhöht, aber die Flamme verkürzt. Da die Flamme eines derartigen Brenners jedoch eine hohe Spitzentemperatur aufweist, entstehen im Ofen große Mengen von Stickoxiden. Zur Herabsetzung dieser hohen Spitzentemperatur und zur wesentlichen Verringerung der NOx-Bildung wurde in der US-PS 4,378,205 vorgeschlagen, die Brennstoff- und/oder die Oxidationsmittel-Strahlen mit sehr hohen Geschwindigkeiten einzuleiten und Brennstoff- und Oxidationsmittelgase getrennt einzuleiten, wobei die Brennstoff- und/oder die Oxidationsmittel-Strahlen in der Ofenatmosphäre enthaltene Verbrennungsprodukte mitreißen und vor der eigentlichen Verbrennung des Brennstoffs mit dem Oxidationsmittel verdünnt werden. Die von diesen Brennern erzeugten Flammen sind jedoch fast unsichtbar, wie dort in Spalte 9, Zeilen 58-65, angegeben wird. Es ist daher für eine Ofenbedienperson extrem schwierig, die Lage der Verbrennungszonen zu bestimmen und/oder zu steuern und zu erkennen, ob die Brennerapparatur eingeschaltet ist oder nicht, was gefährlich sein kann. Für bestimmte Anwendungen, wie z. B. das Schmelzen von Glas, sind auch nach allgemeiner Auffassung leuchtende Flammen wünschenswert, da der. Wärmetransfer von derartigen Flammen effizienter ist als bei unsichtbaren Flammen. Dieser Brenner ist ferner mit dem Nachteil behaftet, daß das Mitreißen von Verbrennungsprodukten starke Rezirkulationsströme von Gasen im Ofen fördert, was wiederum den Verschleiß der Feuerfestwände des Ofens beschleunigt.
Eine andere, zur Verbesserung des Wärmetransfers von einer Flamme zu einer Charge verwendete Technik wird in den US-Patentschriften 4,909,733 und 4,927,357 beschrieben, wobei ein ratensteigerndes Gas, im allgemeinen Sauerstoff, über eine nicht axialsymmetrische Lanze zwischen einer Flamme und der Ofencharge eingeleitet wird. Bei dieser Technik wird die Flammentemperatur erhöht, was zu stärkerer Stickoxidbildung führt. Außerdem muß das ratensteigernde Gas gemäß den oben zitierten Erfindungen mit hoher Geschwindigkeit eingeleitet werden, damit die Flamme zur Charge hin verschoben wird. Wie weiter oben bereits erwähnt, fördert dies starke Rezirkulationsströme von Gasen im Ofen, was wiederum den Verschleiß der Feuerfestwände des Ofens beschleunigt.
Außerdem ist für den Einsatz von Hochgeschwindigkeits- Oxidationsmittelstrahlen die Verwendung einer Hochdruck-Oxidationsmittelquelle erforderlich, was bedeutet, daß das Oxidationsmittelgas entweder mit hohem Druck erzeugt oder mit hohem Druck angeliefert werden muß (das Brennstoffgas steht in der Regel unter verhältnismäßig hohem Druck), oder daß das in der Regel von einer VSA-Anlage gelieferte Niederdruck- Sauerstoffgas vor der Einleitung in den Ofen wieder verdichtet werden muß.
Schmelzöfen, wie z. B. Glasöfen, stellen eine große Kapitalinvestition dar. Daher ist es wünschenswert, die Lebensdauer eines Ofens unter Beibehaltung der Produktivität so weit wie möglich zu verlängern. Einer der Alterungsfaktoren eines Ofens ist die Temperatur des Oberbaus: es wurde beispielsweise gezeigt, daß die Verschleiß- und Korrosionsrate einer Glasofenkuppel bei Betreibung des Ofens bei hoher Temperatur beschleunigt wurde. Dies kann eine vorzeitige Reparatur des Ofens oder eine Verringerung des Ofendurchsatzes am Ende der Ofenkampagne erforderlich machen, um ein katastrophales Versagen zu vermeiden. Im Fall eines Ofens, der mit Sauerstoff-Brennstoff-Brennern, die im allgemeinen Flammen mit hoher Temperatur erzeugen, ausgestattet ist, ist es sehr wichtig, daß die Flammen nicht zur Kuppel hin abgelenkt werden, was zu örtlichen Überhitzungen führen würde. Derartige Situationen treten bekanntlich bei instabilen Flammen auf, die durch das komplexe Strömungsmuster der Verbrennungsprodukte in einem Ofen abgelenkt werden. Beispielsweise überwinden Niederimpulsbrenner, bei denen der Brennstoff und das Oxidationsmittel mit geringer Geschwindigkeit in einen Ofen eingeleitet werden, die oben geschilderten Nachteile von Hochgeschwindigkeitsbrennern, erzeugen aber im allgemeinen instabile Flammen. Ein Verbrennungsverfahren, das Hochschlagen von Flammen verhindert und die Betriebstemperatur der Ofenkuppel verringert, wäre insbesondere für die Industrie wertvoll.
Somit besteht Bedarf an einem Brenner, der bei geringem Druck, insbesondere für das Oxidationsmittelgas, betrieben werden kann und dabei eine breite, flache, stabile, leuchtende Flamme mit verringerten NOx- Emissionen erzeugt, und der einen Weg zur Steuerung der Flammenlänge bereitstellt, so daß die Flamme auf den Ofen, in dem sie verwendet wird, abgestimmt werden kann.

Kurze Darstellung der Erfindung

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Verfahren und Apparaturen zur Verbrennung eines Brennstoffs mit in einem gasförmigen Oxidationsmittel enthaltenem Sauerstoff, bei dem man den Brennstoff auf mindestens zwei in die Brennkammer eines Ofens eingeleitete Ströme verteilt und den größten Teil des für die vollständige Verbrennung des Brennstoffs erforderlichen Oxidationsmittels durch mindestens eine, vorzugsweise eine oder zwei, langgestreckte Öffnung (wie z. B. eine in den Zeichnungen dargestellte allgemein ovale Öffnung) einleitet, wobei die Achse entlang der längsten Abmessung der Öffnung (die im folgenden auch zuweilen als die Hauptachse bezeichnet wird) zur Oberfläche des zu erhitzenden Materials parallel verläuft, so daß der aus der langgestreckten Öffnung austretende Oxidationsmittelstrom zu den Brennstoffströmen hin konvergiert, um parallel zu der Oberfläche des zu erhitzenden Materials eine breite Flamme zu erzeugen. Zwei nebeneinanderliegende Brennstoffströme bilden miteinander einen Winkel im Bereich von 0º bis etwa 15º, vorzugsweise im Bereich von 0º bis etwa 10º. Der aus der mindestens einen langgestreckten Öffnung ausströmende Oxidationsmittelstrom, der als Hauptoxidationsmittel bezeichnet wird, konvergiert zu den Brennstoffströmen hin in einem Winkel im Bereich von 0º bis etwa 45º, vorzugsweise von etwa 2,5º bis etwa 10º. Das Aspektverhältnis der langgestreckten Öffnung (Quotient aus maximaler Breite [Hauptachse] und maximaler Höhe [oder Nebenachse]) liegt vorzugsweise im Bereich von etwa 2 bis etwa 8, besonders bevorzugt von etwa 4 bis etwa 6.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und eine Apparatur gemäß Anspruch 16 bereitgestellt.
Bei bevorzugten Anordnungen der vorliegenden Erfindung verlaufen die Brennstoffströme weitgehend parallel zu der zu erhitzenden Oberfläche oder sind gegenüber der zu erhitzenden Oberfläche in einem Winkel von höchstens +10º oder -10º orientiert, und der Hauptoxidationsmittelstrom konvergiert zu den Brennstoffströmen und der zu erhitzenden Oberfläche hin.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung von Flammen zum Erhitzen einer in einem Ofen enthaltenen Schmelze und im Schutz der Kuppel des Schmelzofens vor Überhitzung. In der Tat besteht gemäß diesem Aspekt der Erfindung der Effekt des durch die im allgemeinen rechteckige Öffnung austretenden Oxidationsmittelstroms darin, die Flamme nahe an der Schmelze zu halten und die Flamme am Hochschlagen zu hindern.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht in einem Verfahren und einer Apparatur zur Zufuhr von Sekundäroxidationsmittel um die zumindest zwei Brennstoffströme herum, damit die Flammenleuchtkraft dadurch erhöht wird, daß die Verbrennung des Brennstoffs initiiert wird, bevor der Hauptoxidationsmittelstrom die Brennstoffströme in der Brennkammer schneidet, und daß eine brennstoffreiche Mischung, in der beträchtliche Mengen an Ruß gebildet werden, erzeugt wird. Die nachfolgende Verbrennung der brennstoffreichen Mischung mit Ruß mit dem Hauptoxidationsmittelstrom ergibt eine leuchtende Flamme, die für effizienten Wärmetransfer sorgt. Der Sekundäroxidationsmittelstrom ist so bemessen, daß das Sekundäroxidationsmittel zwischen 0 und 50% der Gesamtmenge des zur vollständigen Verbrennung des Brennstoffs erforderlichen Oxidationsmittels liefert. Vorzugsweise liefert die Sekundäroxidationsmittelmenge zwischen 0 und 25% der Gesamtmenge des zur vollständigen Verbrennung des Brennstoffs erforderlichen Oxidationsmittels. Das Hauptoxidationsmittel und das Sekundäroxidationsmittel können verschiedenartig sein: so kann es sich beispielsweise bei dem Hauptoxidationsmittel um technisch reinen Sauerstoff (Sauerstoffkonzentration von mehr als 88%) und bei dem Sekundäroxidationsmittel um Umgebungsluft handeln.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Mittel bereitgestellt, mit dem man die Flammenleuchtkraft und die Flammenform variieren kann, indem die Ströme von Hauptoxidationsmittel und Sekundäroxidationsmittel so verändert werden, daß die Sauerstoffgesamtmenge im Hauptoxidationsmittelstrom und im Sekundäroxidationsmittelstrom zur Gewährleistung der vollständigen Verbrennung des Brennstoffs ausreicht.
Bei der erfindungsgemäßen Anordnung werden das Hauptoxidationsmittel und das Sekundäroxidationsmittel von der selben Quelle geliefert, und die Flammenleuchtkraft und -form werden durch Veränderung der Verteilung des Oxidationsmittels auf den durch die im allgemeinen rechteckige Öffnung strömenden Hauptoxidationsmittelstrom und des die mindestens zwei Brennstoffströme unströmenden Sekundäroxidationsmittels verändert. Hierbei nimmt die Flammenleuchtkraft mit zunehmender Menge an in der brennstoffreichen Mischung gebildetem Ruß zu, und die Flammengeometrie wird modifiziert, wenn die Mischbedingungen für den Brennstoff und das Oxidationsmittel modifiziert werden.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung eines Verbrennungsverfahrens, das Flammen mit niedrigen Spitzentemperaturen erzeugt und somit die Stickoxid-Emissionen beim Verbrennungsprozeß verringert.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung von Verfahren und Apparaturen zur Verbrennung eines Brennstoffs mit einem gasförmigen Oxidationsmittel, das mindestens 50% Sauerstoff enthält.
Einen wichtigen Aspekt der vorliegenden Erfindung liefert eine Brenneranordnung mit:
a) einem Feuerfestblock mit einem kalten Ende und einem heißen Ende und ferner mit mindestens einem Hohlraum zum Einleiten von Brennstoff und einem Hohlraum zum. Einleiten eines Hauptoxidationsmittels, wobei letzterer Hohlraum am heißen Ende des Feuerfestblocks in einer langgestreckten Öffnung, deren Hauptachse allgemein parallel zu dem zu erhitzenden Material verläuft, endet,
b) einer Halterungsanordnung, die abnehmbar am kalten Ende des Feuerfestblocks angebracht ist,
c) einer mit Hilfe der Halterung an dem Feuerfestblock angebrachten metallischen Brenneranordnung mit mindestens einem Oxidationsmitteleingang und mindestens zwei Oxidationsmittelausgängen, wobei der erste Oxidationsmittelausgang in den Hohlraum zum Einleiten des Hauptoxidationsmittel mündet, der zweite Oxidationsmittelausgang dem mindestens einen Hohlraum zum Einleiten von Brennstoff Sekundäroxidationsmittel zuführt, um die Verbrennung des Brennstoffs in der Nähe der heißen Fläche des Feuerfestblocks zu initiieren, das Sekundäroxidationsmittel ferner entlang der Innenwände des mindestens einen Brennstoff-Hohlraums eine Oxidationsmittelgas- Schutzschicht erzeugt, die chemische Reaktionen zwischen dem Material des Feuerfestblocks und dem Brennstoff, die letztendlich den Brennerblock schädigen würden, verhindert,
d) einer am Brennerkörper angebrachten Brennstoffverteileranordnung mit einem Brennstoffeingang und einem Brennstoffverteilungsmittel, das sich in den mindestens einen Hohlraum zum Einleiten des Brennstoffs erstreckt und mindestens zwei Brennstoffströme liefert.
Einen weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung bildet die im vorhergehenden beschriebene Brenneranordnung, wobei das Hauptoxidationsmittel und das Sekundäroxidationsmittel die gleiche chemische Zusammensetzung halben, die außerdem auch noch ein Aufteilungsmittel zum Verteilen des Oxidationsmittelstroms auf die mindestens zwei Oxidationsmittelausgänge aufweist.
Weitere Aspekte der Erfindung betreffen die Innengeometrie der Hauptoxidationsmittel-Hohlraumgeometrie für einen Brennerblock der im vorhergehenden beschriebenen Brenneranordnung.
Weitere Aspekte der Erfindung ergeben sich aus dem Studium der folgenden Beschreibung und der folgenden Ansprüche.

Kurze Beschreibung der Zeichnungsfiguren

Es zeigen:
Fig. 1a und 1b schematische perspektivische Ansichten von erfindungsgemäßen Brennerblöcken;
Fig. 2 eine Seitenschnittansicht des Brennerblocks gemäß Fig. 1a oder 1b durch den Schnitt "A-A" der Fig. 1b, die zeigt, daß die Innengeometrie des Hauptoxidationsmittelhohlraums (9) aus vier Teilstücken besteht;
Fig. 3 eine alternative Ausführungsform der Innengeometrie des Hauptoxidationsmittelhohlraums (9), bei der der Divergenzwinkel des Teilstücks (12) gleich (C), dem Divergenzwinkel von Teilstück (11), ist;
die Fig. 4, 5 und 6 schematische perspektivische Ansichten von erfindungsgemäßen Brennerblöcken;
die Fig. 7a und 7b Seitenschnittansichten anderer erfindungsgemäßer Feuerfestblöcke, die bevorzugte Hohlräume (8) für die Brennstoff-Injektoren zeigen, wobei die Durchmesser der Öffnungen (3) größer als die Durchmesser der übrigen Hohlräume sind;
die Fig. 8a und. 8b Vorderansichten erfindungsgemäßer Brennerblöcke, bei denen Erdgasinjektoren in Hohlräumen angeordnet sind; und
die Fig. 9, 10, 11 und 12 Seitenschnittansichten dreier erfindungsgemäßer Ausführungsformen, bei denen eine Brenneranordnung in Verbindung mit einem Feuerfestblock bereitgestellt wird.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Der Begriff "Brennstoff" bedeutet erfindungsgemäß beispielsweise Methan, Erdgas, Flüssiggas, Propan, zerstäubtes Öl oder dergleichen (entweder in gasförmiger oder in flüssiger Form), entweder bei Raumtemperatur (etwa 25ºC) oder in vorgewärmter Form. Der Begriff "Oxidationsmittel" bedeutet erfindungsgemäß ein sauerstoffhaltiges Gas, dass die Verbrennung des Brennstoffs unterhalten kann. Beispiele für derartige Oxidationsmittel sind Luft, sauerstoffangereicherte Luft mit mindestens 50 Vol.-% Sauerstoff, wie z. B. mit Hilfe einer Tieftemperaturluftzerlegungsanlage erzeugter, "technisch" reiner Sauerstoff (99,5%ig) oder beispielsweise nach einem Vakuumwechseladsorptionsverfahren hergestellter, nicht reiner Sauerstoff (etwa 88 Vol.-% Sauerstoff oder mehr) oder aus Luft oder einer anderen Quelle mittels Filtration, Adsorption, Absorption, Membrantrennung oder dergleichen erzeugter "unreiner" Sauerstoff, entweder bei Raumtemperatur oder in vorgewärmter Form. Es ist außerdem darauf hinzuweisen, daß es zwar in den meisten Fällen bevorzugt ist, daß das Hauptoxidationsmittel und das Sekundäroxidationsmittel die gleiche chemische Zusammensetzung aufweisen, diese aber auch verschieden sein könnten. Das heißt, es könnte sich bei dem Sekundäroxidationsmittel um Luft und bei dem Primäroxidationsmittel um technisch reinen Sauerstoff handeln oder umgekehrt; oder es könnte sich bei dem Sekundäroxidationsmittel um unreinen Sauerstoff und bei dem Primäroxidationsmittel um technisch reinen Sauerstoff handeln oder umgekehrt.
Das Prinzip des Betriebs des erfindungsgemäßen Verbrennungsverfahrens ergibt sich aus der folgenden Beschreibung einer Reihe von Ausführungsformen der Erfindung.
Die Fig. 1a und 1b zeigen schematische perspektivische Ansichten bevorzugter erfindungsgemäßer Brenner (die hier zuweilen als "Brennerblöcke" bezeichnet werden) (1). In der speziellen Anordnung gemäß Fig. 1a wird Brennstoff durch zwei in einer heißen Brennerblockfläche (4) angeordnete Ausgänge (3) in die Brennkammer eines Ofens (2) eingeleitet. Die Achsen der aus dem Brennerblock (1) ausströmenden Brennstoffströme liegen in der selben Ebene und bilden miteinander einen Winkel (A) im Bereich von 0º [parallele Anordnung] bis etwa 30º, wobei (A) vorzugsweise im Bereich von 0º bis etwa 10º liegt. Der größte Teil des für die Verbrennung des Brennstoffs erforderlichen Oxidationsmittels wird durch eine in der heißen Fläche (4) des Brennerblocks (1) angeordnete langgestreckte Öffnung (5) eingeleitet. In der in den Fig. 1a und 1b gezeigten Ausführungsform handelt es sich bei der langgestreckten Öffnung (5) um einen Schlitz. Der aus dem Schlitz (5) kommende Oxidationsmittelstrom bildet mit der Richtung der Brennstoffströme einen Winkel (B) im Bereich von 0º bis etwa 20º. Bevorzugte Winkel (B) liegen im Bereich von etwa 2,5º bis etwa 10º. Das Aspektverhältnis (Quotient aus maximaler Breite und maximaler Höhe) des Schlitzes liegt im Bereich von etwa 2 bis etwa 8, vorzugsweise von etwa 4 bis etwa 6.
In Fig. 1b wird der Brennstoff durch drei in der heißen Brennerblockfläche (4) angeordnete Ausgänge (3) eingeleitet. Die Achsen der aus dem Brennerblock (1) ausströmenden Brennstoffströme liegen in der selben Ebene und bilden miteinander einen Winkel (A) im Bereich von 0º bis etwa 30º. Mit dem Brenner gemäß Fig. 1b kann man den Brennstoff flächig ausbreiten und so eine breite und flache Verbrennungsflamme erzeugen.
Fig. 2 zeigt eine Seitenschnittansicht des Brennerblocks gemäß Fig. 1a oder 1b durch den Schnitt "A-A" der Fig. 1b, die die Innengeometrie des Hauptoxidationsmittelhohlraums (9) mit vier Teilstücken veranschaulicht. Die Brennstoffströme kommen aus Injektoren (6), die in zylindrischen Hohlräumen (7) des Brennerblocks angeordnet sind, die in die Ausgangsöffnungen (3) münden. Vorzugsweise sind die Hohlräume identisch und in bezug zum Schlitz (5) symmetrisch angeordnet. In dem zwischen den Injektoren (6) und den Hohlräumen (7) liegenden Durchgang (8) fließt Sekundäroxidationsmittel. Die Menge an Sekundäroxidationsmittel liefert 0% bis etwa 50% der Gesamtmenge des zur vollständigen Verbrennung des Brennstoffs erforderlichen Sauerstoffs. Es wurde gefunden, daß die vom Brenner erzeugte Flamme in dem Fall, daß das Sekundäroxidationsmittel mehr als 20% des zur vollständigen Verbrennung des Brennstoffs erforderlichen Sauerstoffs lieferte, dazu neigte, sich am Ausgang des Brennerblocks in separate Flammen aufzuspalten, was der Flammenlänge abträglich ist. Daher sind Konfigurationen bevorzugt, bei denen weniger als 20% des zur vollständigen Verbrennung des Brennstoffs erforderlichen Sauerstoffs. Vorzugsweise sind die Injektoren (6) in den Hohlräumen (7) zentriert und von der heißen Fläche (4) des Blocks (1) um einen Abstand abgesetzt, der sich auf das 0- bis etwa 2fache des Durchmessers der Öffnung (3) der Hohlräume beläuft.
Die Innengeometrie des Hauptoxidationsmittel-Hohlraums (9) enthält vorzugsweise vier Teilstücke. Das erste Teilstück (10) ist im allgemeinen zylindrisch; das zweite Teilstück (10a) ist im allgemeinen zylindrisch und weist den gleichen Durchmesser wie das erste Teilstück auf; das zweite Teilstück (10a) bildet mit der Achse des ersten Teils den Winkel (B); an dem zweiten Teilstück (10a) ist ein drittes Teilstück (11), das eine im allgemeinen konische Form mit einem Winkel (C) von etwa 10º bis etwa 120º, vorzugsweise im Bereich von etwa 10º bis etwa 45º, aufweist, kontinuierlich angebracht; und ein viertes Teilstück (12) verbindet kontinuierlich das zweite Teilstück (10a) mit der Hauptoxidationsmittelöffnung (5).
Eine bevorzugte Konfiguration für die Teilstücke (10), (10a), (11) und (12) ist in der Schnittansicht des Blocks gemäß Fig. 2 in Fig. 3 gezeigt: der Divergenzwinkel von Teilstück (12) ist gleich (C), dem Divergenzwinkel von Teilstück (11).
Nach alternativen bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung sind die Einrichtungen zur Erzeugung von mindestens zwei Brennstoffströmen im selben Hohlraum eines Brennerblocks installiert. Eine derartige Anordnung ist in Fig. 4 dargestellt, in der zwei Brennstoff-Injektoren (6) in einem einzigen Hohlraum (7) des Brennerblocks angeordnet sind. In dem zwischen den Brennstoff-Injektoren (6) und dem Hohlraum (7) liegenden Durchgang fließt Sekundäroxidationsmittel.
Eine andere derartige Anordnung ist in Fig. 5 dargestellt, in der ein Flüssigbrennstoff-Injektor (13), der in mindestens zwei Flüssigbrennstoff- Öffnungen (14), die separate Brennstoffströme erzeugen, endet, in Hohlraum (7) angeordnet ist.
Fig. 6 zeigt eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die der Ausführungsform gemäß Fig. 1 ähnelt, aber auf die Verwendung mehrerer Brennstoffe ausgelegt ist, wobei durch Anordnung einer zusätzlichen Öffnung (15) im Brennerblock ein alternativer Brennstoff-Injektor vorgesehen ist: nach einer derartigen Ausführungsform wird der Brennstoff bei Verwendung von gasförmigem Brennstoff durch die Öffnungen (3) eingeleitet und Öffnung (15) nicht benutzt; bei Verwendung eines flüssigen Brennstoffs, wie z. B. Heizöl, wird der Brennstoff durch Öffnung (15) eingeleitet, während die Öffnungen (3) ungenutzt bleiben.
Bei. Verwendung von Erdgas als Brennstoff liegt die Brennstoffgeschwindigkeit an der Spitze der Injektoren (6) bei der nominalen Feuerungsrate des Brenners im Bereich von etwa 20 ms&supmin;¹ bis etwa 150 ms&supmin;¹, vorzugsweise im Bereich von etwa 30 ms&supmin;¹ bis etwa 80 ms&supmin;¹. Ist die Sauerstoffkonzentration des Oxidationsmittels größer als 88%, so liegt die Oxidationsmittelgeschwindigkeit an der Öffnung (5) im Bereich von etwa 5 ms&supmin;¹ bis etwa 80 ms&supmin;¹, vorzugsweise im Bereich von etwa 10 ms&supmin;¹ bis etwa 25 ms&supmin;¹. Das Verhältnis von Erdgasgeschwindigkeit zu Hauptoxidationsmittelgeschwindigkeit liegt vorzugsweise im Bereich von etwa 2 bis etwa 4. Es wurde gefunden, daß ein für eine gegebene nominale Feuerungsrate ausgelegter erfindungsgemäßer Brenner bei 30% bis 250% seiner Nennleistung betrieben werden konnte.
Die Fig. 7a und 7b zeigen alternative bevorzugte Hohlräume (8) für die Brennstoff-Injektoren, wobei die Durchmesser der Öffnungen (3) größer als die Durchmesser des Rests der Hohlräume (8) sind. Dies liefert einen verbesserten Schutz der Injektorspitzen (6a) vor der heißen Ofenumgebung, da die Injektoren (6) weiter von der heißen Fläche (4) des Hohlraums abgesetzt sind, ohne daß Block (1) überhitzt wird. In Fig. 7b sei hervorgehoben, daß die Brennstoff- Hohlräume am Blockaustrittspunkt vorzugsweise abgerundet oder profiliert sind.
Bei dem erfindungsgemäßen Verbrennungsverfahren wird Brennstoff in mindestens zwei Strömen oberhalb der zu erhitzenden Oberfläche (Ofencharge) eingeleitet. Der Brennstoff wird somit über der Charge verteilt, um eine einheitliche Wärmeflußverteilung auf der Charge zu erhalten. Eine Vergrößerung des Winkels zwischen den Brennstoffströmen analog der Vergrößerung des Winkels (A) in den Fig. 1a und 1b führt zu einer breiteren Verbrennungszone. Wie weiter unten angegeben, wurde jedoch gefunden, daß die Vergrößerung des Winkels zwischen Brennstoffströmen über 5º hinaus separate Flammen ergab, was nicht wünschenswert ist, da dadurch die Einheitlichkeit: der Verbrennungszone gestört wird, die einen wichtigen Faktor darstellt, wenn es sich bei der Charge um schmelzflüssiges Glas handelt. Außerdem ergibt die Vergrößerung des Winkels zwischen den Brennstoffströmen eine beträchtliche Verkürzung der Flammenlänge.
Die Hauptquelle von Oxidationsmittel für die Verbrennung des Brennstoffs ist die in den Fig. 1a und 1b, 4, 5 und 6 durch einen ovalen Schlitz 5 dargestellte langgestreckte Öffnung. Der Oxidationsmittel-Hauptstrom (mit anderen Worten das aus Schlitz (5) austretende Oxidationsmittel) ist mit einem Winkel (B) zu den Brennstoffströmen hin orientiert und auch zu der zu erhitzenden Oberfläche hin orientiert. Eine Verkleinerung des Winkels (B) ergibt eine Verzögerung der Durchmischung zwischen dem Hauptoxidationsmittel und dem Brennstoff, was zu einer längeren Verbrennungszone führt. Sehr kleine Winkel (B) sind jedoch nicht wünschenswert, da die Verbrennungszone instabil wird. Andererseits ergibt eine Vergrößerung des Winkels (B) eine Erhöhung der Flammenstabilität, verringert aber die Flammenlänge, und drückt die Flamme in Richtung auf die Charge. Es wurde gefunden, daß (B)vorzugsweise im Bereich von etwa 2,5º bis etwa 10º liegen sollte, wenn man vermeiden will, daß die Flamme sich der Ofencharge nähert. Größere Winkel (B) können sich bei einigen Anwendungen als wertvoll erweisen, bei denen ein direkter Kontakt der Flamme mit der zu erhitzenden Oberfläche verlangt ist, beispielsweise bei der Herstellung von Eisen- und Nichteisenmetallen.
Der Effekt des Hauptoxidationsmittelstroms besteht darin, die Flamme unterhalb der Brennerebene zu halten, um ein Hochschlagen der Flamme zur Ofenkuppel (Ofenkuppeln sind beispielsweise in Glaswannenöfen vorhanden) zu verhindern und die Kuppeltemperatur beträchtlich zu verringern, da die Energie bevorzugt der Charge zugeführt wird. Außerdem wird die Verbrennungszone bevorzugt in das Ofeninnere weit von den Seitenwänden gedrückt, was zu niedrigeren Seitenwandtemperaturen führt. Bei dem erfindungsgemäßen Verbrennungsverfahren ist das Mischen von Oxidationsmittel und Brennstoff gestuft, was zu einer niedrigeren Flammentemperatur und niedrigen Stickoxid- Emissionsraten führt.
Weitere Vorteile der Sekundäroxidationsmittel- Einleitung sind eine verbesserte Kühlung der Gasinjektoren durch die Gasströme und die Erzeugung einer Schutzschicht aus Oxidationsmittelgas entlang der Innenwände der Brennstoff-Hohlräume, die chemische Reaktionen zwischen dem Brennerblock-Feuerfestmaterial und dem Brennstoffgas verhindert. Derartige Reaktionen sind auf die teilweise thermische Zersetzung des Kohlenstoff und Wasserstoff enthaltenden Brennstoffs in Kohlenstoffatome C und Wasserstoffgas H&sub2; und die Folgereaktionen von C und H&sub2; mit den Feuerfestmaterialien zurückzuführen. Für Siliciumdioxid enthaltende Feuerfestmaterialien lauten die zu Siliciumdioxidverlust führenden Zwischenreaktionen wie folgt:
SiO&sub2;(s) + C(s) = SiO(g) + CO(g)
SiO&sub2;(s) + C(s) = SiO(g) + CO&sub2;
Mit Wasserstoff lautet die Reaktion:
SiO&sub2;(s) + H&sub2; = SiO(g) + H&sub2;O
In beiden Fällen verflüchtigt sich das Suboxid des Siliciumdioxids (SiO) und kondensiert in der Brennkammer wieder, wo zusätzlicher Sauerstoff anzutreffen ist. Zwischen Siliciumdioxid und Kohlenstoff laufen bekanntlich in Gegenwart von Stickstoff andere Reaktionen ab, bei denen Siliciumcarbid (SiC(s), Siliciumnitrid (Si&sub3;N&sub4;(s)) und Siliciumoxynitrid (SiN&sub2;O(s)) gebildet werden, die alle die Struktur des Feuerfestmaterials verändern und die Lebensdauer des Brennerblocks verkürzen. Mit Aluminiumoxid laufen bei höheren Temperaturen ähnliche Reaktionen ab, die zu Produkten wie Al&sub4;O&sub4;C(s), AlN(s) und AlO(g) und Al&sub2;O(g)-Gasen führen.
Mit Ausnahme von Schmelzzirconiumdioxid können alle zur Herstellung von Brennerblöcken verwendeten Feuerfestmaterialien durch die oben beschriebenen Reduktionsmechanismen beeinflußt werden, da sie alle Siliciumdioxid und Aluminiumoxid enthalten. Die Einleitung des Sekundäroxidationsmittels um die Brennstoffströme herum entlang der Brennerblock- Hohlräume schützt den Brennerblock vor dem Brennstoff, indem Kohlenstoff und Wasserstoff daran gehindert werden, mit dem Feuerfestmaterial in Berührung zu kommen.
Das erfindungsgemäße Verbrennungsverfahren wurde mit einer Feuerungsrate von 500 Kilowatt (1,7 MMBtu/h) in einem Hochtemperatur-Pilotofen mit einer Länge von 4 Metern und einem Querschnitt von 1 Quadratmeter getestet. Die Flammengeometrie, die Flammenstabilität und die Flammenleuchtkraft wurden mit einer an einem Periskop in der Ofendecke befestigten Videokamera überwacht. Vor der Kamera wurde ein Blaufilter eingeschoben, um einen Teil der von den Wänden des Hochtemperaturofens emittierten Strahlung zu eliminieren. Zur Beurteilung des Verbrennungsverfahrens wurde ein Prototypbrenner mit einer Hauptoxidationsmittelöffnung (5) in Form eines allgemein rechteckigen Schlitzes mit abgerundenten Kanten mit einer Breite von 101,6 mm (4 Zoll) und einer Höhe von 17,8 mm (0,7 Zoll) gebaut. Als Oxidationsmittel wurde sowohl für den Hauptoxidationsmittelstrom als auch für den Sekundäroxidationsmittelstrom Sauerstoff mit einer Reinheit von 99, 95% verwendet. Die Hauptoxidationsmittelgeschwinddigkeit am Ausgang des Schlitzes lag in der Nähe von 15 ms&supmin;¹. In Hohlräumen (3) wurden Erdgasinjektoren (6) so angeordnet, wie es in Fig. 8a dargestellt ist. Durch Verwendung von zwei verschiedenen Injektorsätzen konnte die Erdgasgeschwindigkeit am Ausgang der Injektoren von 29 ms&supmin;¹ bis 55 ms&supmin;¹ verändert werden. Für die kleinsten Injektoren betrug der Durchmesser der für die Tests verwendeten Hohlräume (3) 20,9 mm (0,824 Zoll) und 26,6 mm (1,049 Zoll). Für die größten Erdgasinjektoren konnten nur die größeren Brennstoff- Hohlräume (26,6 mm (1,049 Zoll)) verwendet werden. Der Abstand (d) zwischen den Gasinjektoren war auf 114,3 mm (4,5 Zoll) fixiert. Der Abstand (H) zwischen dem Hauptoxidationsmittelschlitz und den Brennstoffinjektoren konnte von 44,4 mm (1,75 Zoll) bis 114,3 mm (4,5 Zoll) variiert werden. Der Winkel (A) konnte von 0 bis 5 Grad variiert werden, und der Winkel (B) konnte von 0 bis 10 Grad variiert werden.
Beim Einleiten von Sekundäroxidationsmittel um die Brennstoffinjektoren herum unter Konstanthaltung der dem Brenner zugeführten Oxidationsmittelgesamtmenge wurde beobachtet (mit bloßem Auge), daß die Flammenleuchtkraft erhöht wurde. Schon 3% Sekundäroxidationsmittel lieferten eine merkliche (mit bloßem Auge) Verbesserung der Flammenleuchtkraft. Es wird geschätzt, daß die maximale Flammenleuchtkraft bei Umströmen der Brennstoffinjektoren mit etwa 5% des gesamten Oxidationsmittels erhalten wurde. Dieses Ergebnis wird durch die teilweise Verbrennung des Brennstoffs unter brennstoffreichen Bedingungen, die zwischen dem Brennstoff und dem Sekundäroxidationsmittel auftritt, was die Rußbildung fördert, interpretiert. Bei Erhöhung des Sekundäroxidationsmittelstroms über 5% des gesamten Oxidationsmittels wurde gefunden, daß die Flammenleuchtkraft abnahm und die Flamme kürzer wurde. Für diese Tests lag die Sekundäroxidationsmittelmenge im Bereich von etwa 3% bis etwa 13% des gesamten Oxidationsmittels. Dies führte zu einer intensiveren Durchmischung zwischen dem Brennstoff und dem immer schneller werdenden Sekundäroxidationsmittelstrom, was im allgemeinen die Rußbildung verhinderte und die Verbrennungszone verkürzte.
Die Emissionsrate von Stickoxiden (NOx) nahm bei Erhöhung der Sekundäroxidationsmittelmenge in dem angegebenen Bereich um nicht mehr als 10% zu bei 3% Sekundäroxidationsmittel betrug die NOx-Konzentration 945 ppm, und die bei erhöhtem Oxidationsmittelstrom beobachtete maximale NOx-Konzentration betrug 1035 ppm. Unter ähnlichen Betriebsbedingungen produzierte ein Rohr-in-Rohr-Sauerstoff/Brennstoff-Brenner etwa 1800 ppm NOx. Für diese Tests wurde kein Versuch unternommen, die NOx-Emissionen durch Unterdrückung aller Stickstoffquellen in der Verbrennungskammer außer dem in dem Erdgas naturgemäß vorhandenen Stickstoff zu minimieren: insbesondere stand der Ofen unter leichtem Überdruck, der aber nicht groß genug war, um jeglichen Luftzutritt zu verhindern, und etwas Stickstoff wurde zur Spülung der Periskoplinse in den Ofen eingeleitet.
Es stellte sich auch heraus, daß bei Veränderung des Sekundäroxidationsmittelstroms die Höhe der Flamme gegenüber der Charge verändert wurde: mit zunehmendem Sekundäroxidationsmittelstromstroms bewegte sich die Flamme weiter von der Charge weg. Dies ist eine Folge des größeren Impulses der aus den Brennstoff-Hohlräumen in einer zur Ofencharge weitgehend parallelen Richtung ausgestoßenen Gasströme. Es stellte sich auch heraus, daß die Erhöhung des Sekundäroxidationsmittelstroms zu höheren Temperaturen in der Nähe des Brennerblocks führte, was auf eine schnellere Abgabe von Wärme aus der Flamme hindeutet. Somit kann man durch Einwirkung auf die Verteilung des Oxidationsmittelstroms zwischen dem Hauptoxidationsmittelstrom und den Sekundäroxidationsmittelströmen die Flammenlänge, die Flammenleuchtkraft, den Flammenabstand zur Charge und die Flammenwärmetransferverteilung verändern.
Eine Vergrößerung des Winkels (A) zwischen nebeneinanderliegenden Brennstoffströmen führte zu einer kürzeren Flamme. Beim Versuch, den Winkel zwischen Brennstoffströmen auf über 5º zu erhöhen, wurde jedoch beobachtet, daß die Flamme durch separate Flämmchen ersetzt wurde, was sich als unannehmbar herausstellte, da dadurch die Einheitlichkeit der Verbrennungszone gestört wurde. Außerdem führte die Vergrößerung des Winkels zwischen den Brennstoffströmen zu einer Verringerung der Flammenlänge.
Die Verkleinerung des Winkels (B) zwischen der Richtung des Hauptoxidationsmittelstroms und dem Erdgas- Brennstoff schien die Durchmischung zwischen dem Hauptoxidationsmittel und dem Brennstoff zu verzögern, was zu einer längeren Flamme führte. Sehr kleine Winkel (B) stellten sich als nicht wünschenswert heraus, da die Verbrennungszone instabil wurde. Durch Vergrößerung des Winkels (B) wurde andererseits die Flammenstabilität erhöht, die Flammenlänge aber verringert, und die Flamme in Richtung auf die Charge gedrückt. Es wurde gefunden, daß (B) vorzugsweise im Bereich von etwa 2,5º bis etwa 10º liegen sollte, wenn man vermeiden will, daß die Flamme sich der Ofencharge nähert.
Bei Veränderung des Abstands (H) zwischen den Erdgasinjektoren und den Hauptoxidationsmittelinjektoren wurde gefunden, daß zur Aufrechterhaltung der Flammenstabilität ein Abstand von mindestens 7,62 cm (3 Zoll) erforderlich war.
Es stellte sich auch heraus, daß eine Erhöhung der Erdgasgeschwindigkeit die Flammenstabilität erhöhte. Für eine gegebene Erdgasgeschwindigkeit ergab sich jedoch kein offensichtlicher Einfluß des Durchmessers des Brennstoff-Hohlraums auf die Flammenstabilität. Somit schien die Geschwindigkeit des Sekundäroxidationsmittels keinen starken Einfluß auf die Flammenstabilität zu haben.
Das in Fig. 8b dargestellte erfindungsgemäße Verbrennungsverfahren wurde auch im Maßstab von 500 Kilowatt (1,7 MMBtu/h) in dem Hochtemperatur-Pilotofen mit einem Prototypbrenner mit einer Hauptoxidationsmittelöffnung mit allgemein ovaler Form mit abgerundenten Kanten mit einer Breite von 101,6 mm (4 Zoll) und einer Höhe von 17,8 mm (0,7 Zoll) getestet. Die Erdgaseinleitung erfolgte mit drei Injektoren, die in Hohlräumen mit einem Durchmesser von 20,9 mm (0,824 Zoll) zentriert waren. Die entsprechende Ergasgeschwindigkeit betrug 37 ms&supmin;¹. Der Abstand d zwischen nebeneinanderliegenden Gasinjektoren belief sich auf 50,8 mm (2 Zoll). Der Abstand H zwischen den Erdgasinjektoren und dem Hauptoxidationsmittelinjektor konnte zwischen 44,5 mm (1,75 Zoll) und 101,6 mm (4 Zoll) variiert werden. Der Winkel B zwischen der Richtung des Hauptoxidationsmittelstroms und der Richtung des Gasstroms konnte von 5º bis 10º variiert werden. Mit dieser Konfiguration konnten breitere Flammen als bei der Konfiguration gemäß Fig. 8a erreicht werden, ohne separate Flämmchen zu erzeugen. Die mit der Konfiguration gemäß Fig. 8a beobachteten Einflüsse der Variationen der geometrischen Parameter A, B und H und der Verteilung des Oxidationsmittels zwischen dem Hauptstrom und dem Sekundärstrom auf die Flammengeometrie, die Flammenstabilität und die Flammenleuchtkraft wurden mit der Konfiguration mit 3 Brennstoffinjektoren bestätigt.
Die Erdgasinjektoren sollten vorzugsweise von der heißen Fläche des Brennerblocks abgesetzt sein, um sie vor der Hitze des Ofens zu schützen. Der Abstand von der Injektorspitze (6a, Fig. 7) zur heißen Flächhe (4) des Brenners sollte nicht mehr als das 2fache des größten Innendurchmessers des Hohlraums betragen; anssonsten besteht das Risiko, daß die Innenwand des Hohlraums mit den Verbrennungsprodukten aus dem Brennstoff und dem Sekundäroxidationsmittel in Berührung kommt, insbesondere wenn der Brennstoffinjektor im Hohlraum nicht genau zentriert ist.
Die obigen Brennerkonfigurationen wurden mit Sauerstoff/Brennstoff-Brennern ähnlicher Konstruktion verglichen, bei denen jedoch der Hauptoxidationsmittelschlitz durch zwei im Abstand von 4 Zoll (101,6 mm) nebeneinander angeordnete Löcher oder Ovale ersetzt wurde, wie in Fig. 8c. Es stellte sich heraus, daß der Brenner mit dem einen ovalen Schlitz eine stabilere Flamme aufwies. Insbesondere mangelte es der aus dem Brenner mit zwei Oxidationsmittellöchern oder -ovalen an den Seiten der Flamme (Flügeln) an Stabilität; diese Instabilität wurde bei Ersatz der beiden Löcher durch den einen ovalen Schlitz völlig eliminiert.
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bildet eine Brenneranordnung wie in den Fig. 9a und 9b mit:
a) einem Feuerfestbrennerblock (1) mit einem kalten Ende (16) und einem heißen Ende (4) und ferner mit mindestens einem Hohlraum (7) zum Einleiten von Brennstoff in mindestens zwei Strömen und einem Hohlraum (9) zum Einleiten des größten Teils des für die vollständige Verbrennung des Brennstoffs erforderlichen Oxidationsmittels, wobei letzterer Hohlraum am heißen Ende (4) des Blocks (1) in einer langgestreckten Öffnung (5), wie z. B. einer allgemein rechteckigen Öffnung, endet,
b) einer Halterungsanordnung (17), die abnehmbar am kalten Ende des Feuerfestblocks angebracht ist,
c) einer mit Hilfe der Halterungsanordnung an dem Block (1) angebrachten metallischen Brenneranordnung (18) mit mindestens einem Oxidationsmitteleingang (19) und mindestens zwei Oxidationsmittelausgängen (20a) und (20b), wobei der erste Oxidationsmittelausgang (20a) in den Hohlraum (9) zum Einleiten des Hauptoxidationsmittel mündet, der zweite Oxidationsmittelausgang (20b) dem mindestens einen Brennstoff-Hohlraum (7) Oxidationsmittel zuführt, um die Verbrennung des Brennstoffs in der Nähe der heißen Fläche (4) des Feuerfestbrennerblocks (1) zu initiieren,
d) einer am Brennerkörper angebrachten Brennstoffverteileranordnung mit einem Brennstoffeingang (21) und einem Brennstoffverteilungsmittel (22), das sich in den mindestens einen Brennstoff- Hohlraum (7) zum Einleiten des Brennstoffs erstreckt und mindestens zwei Brennstoffströme liefert, und
e) einem Aufteilungsmittel (23) zum Verteilen des Oxidationsmittelstroms auf die mindestens zwei Oxidationsmittelausgänge.
Fig. 9b zeigt eine Schnittansicht durch die Brennstoffinjektoren 6 (gezeigt sind drei). Der besseren Übersichtlichkeit wegen sind zum Verständnis der Figur nicht notwendige Bezugszahlen nicht gezeigt. Das Brennstoffverteilungsmittel 22 ist als Kopf dargestellt, der die drei Brennstoffinjektoren 6 speist.
Nach anderen Ausführungsformen, wie beispielsweise gemäß Fig. 10, ist das Aufteilungsmittel (23) außerhalb der metallischen Brenneranordnung (18) und in Fließverbindung damit angeordnet, und die Oxidationsmittelausgänge (20a) und (20b) werden mit Oxidationsmittel aus separaten Eingängen (24a) und (24b), die vom Aufteilungsmittel (23) kommen, gespeist, wobei das Aufteilungsmittel (23) durch den Oxidationsmitteleingang (25) mit Oxidationsmittel gespeist wird. Nach dieser Ausführungsform ist eine massive Platte 26 zur Aufrechterhaltung der Trennung zwischen Primär- und Sekundäroxidationsmittelströmen notwendig.
Nach der Ausführungsform gemäß Fig. 11 werden die Eingänge (24a) und (24b) mit unabhängigen Oxidationsmittelquellen, gegebenenfalls mit unterschiedlicher chemischer Zusammensetzung und Temperatur, gespeist. Nach dieser Ausführungsform ist eine massive Platte 26 zur Aufrechterhaltung der Trennung zwischen Primär- und Sekundäroxidationsmittelströmen notwendig.
Fig. 12 zeigt eine Seitenschnittansicht einer alternativen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Brenneranordnung, bei der die metallische Brenneranordnung 18 eine in der Nähe der Brennstoffinjektoren (18a) abgerundete Form aufweist. Diese Ausgestaltung kann einfacher zu bauen sein als andere Ausführungsformen.
Bei allen erfindungsgemäßen Ausführungsformen mit Brennstoffinjektoren können die Brennstoffinjektoren aus Keramik oder Metall, wie z. B. rostfreiem Stahl, bestehen. Außerdem können die Brenneranordnungskomponenten, die metallisch sind, aus rostfreiem Stahl, wie z. B. Typ 316, oder einer anderen Legierung, wie z. B. Hastalloy, bestehen.

Claims

1. Verfahren zur Verbrennung eines Brennstoffs mit in einem gasförmigen Oxidationsmittel enthaltenem Sauerstoff in einer Brennkammer eines Ofens, bei dem man den Brennstoff auf mindestens zwei nebeneinanderliegende, in die Brennkammer des Ofens eingeleitete Ströme verteilt und einen Hauptteil des für die vollständige Verbrennung des Brennstoffs erforderlichen Oxidationsmittels durch mindestens eine langgestreckte Öffnung einleitet, wobei jede langgestreckte Öffnung entlang ihrer längsten Abmessung eine im allgemeinen parallel zu einer zu erhitzenden Oberfläche verlaufende Achse, bei der es sich um die Hauptachse handelt, aufweist und der Oxidationsmittelstrom zu den Brennstoffströmen hin konvergiert, um parallel zu der zu erhitzenden Oberfläche eine breite Flamme zu erzeugen, wobei man um die zumindest zwei Brennstoffströme herum Sekundäroxidationsmittel zuführt, damit die Flammenleuchtkraft dadurch erhöht wird, daß die Verbrennung des Brennstoffs initiiert wird, bevor der Hauptoxidationsmittelstrom die Brennstoffströme in der Brennkammer schneidet, und daß eine brennstoffreiche Mischung, in der beträchtliche Mengen an Ruß gebildet werden, erzeugt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem zwei nebeneinanderliegende Brennstoffströme vorhanden sind, die miteinander einen Winkel im Bereich von 0º bis etwa 15º bilden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem zwei nebeneinanderliegende Brennstoffströme vorhanden sind, die miteinander einen Winkel im Bereich von 0º bis etwa 10º bilden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem ein einziger, aus einer langgestreckten Öffnung ausströmender Oxidationsmittelstrom vorhanden ist, der als Hauptoxidationsmittel bezeichnet wird und zu den Brennstoffströmen hin in einem Winkel im Bereich von 0º bis etwa 45º konvergiert.

5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem das aus der langgestreckten Öffnung ausströmende Oxidationsmittel zu den Brennstoffströmen hin in einem Winkel im Bereich von 2,5º bis etwa 10º konvergiert.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem jede langgestreckte Öffnung ein durch den Quotienten aus maximaler Breite und maximaler Höhe definiertes Aspektverhältnis im Bereich von etwa 2 bis etwa 8 aufweist.

7. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem das durch den Quotienten aus maximaler Breite und maximaler Höhe definierte Aspektverhältnis im Bereich von etwa 4 bis etwa 6 liegt.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem die Brennstoffströme weitgehend parallel zu der zu erhitzenden Oberfläche verlaufen.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem die Brennstoffströme gegenüber der zu erhitzenden Oberfläche in einem Winkel von höchstens +10º oder -10º orientiert sind und der Hauptoxidationsmittelstrom zu den Brennstoffströmen und der zu erhitzenden Oberfläche hin konvergiert.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem der Sekundäroxidationsmittelstrom so bemessen ist, daß das Sekundäroxidationsmittel 0 bis etwa 50% der Gesamtmenge des zur vollständigen Verbrennung des Brennstoffs erforderlichen Oxidationsmittels liefert.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem die Sekundäroxidationsmittelmenge 0 bis etwa 25% der Gesamtmenge des zur vollständigen Verbrennung des Brennstoffs erforderlichen Oxidationsmittels liefert.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei dem das Hauptoxidationsmittel und das Sekundäroxidationsmittel sich in ihrer Zusammensetzung unterscheiden.

13. Verfahren nach Anspruch 12, bei dem es sich bei dem Hauptoxidationsmittel um technisch reinen Sauerstoff mit einer Sauerstoffkonzentration von mehr als 88% und bei dem Sekundäroxidationsmittel um Umgebungsluft handelt.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, bei dem die Ströme von Hauptoxidationsmittel und Sekundäroxidationsmittel so verändert werden, daß die Sauerstoffgesamtmenge im Hauptoxidationsmittelstrom und im Sekundäroxidationsmittelstrom zur Gewährleistung der vollständigen Verbrennung des Brennstoffs und zur Einstellung der Flammenleuchtkraft ausreicht.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, bei dem das Hauptoxidationsmittel und das Sekundäroxidationsmittel von der selben Quelle geliefert werden und die Flammenleuchtkraft und -form durch Veränderung der Verteilung des Oxidationsmittels auf den durch die im allgemeinen rechteckige Öffnung strömenden Hauptoxidationsmittelstrom und des die mindestens zwei Brennstoffströme umströmenden Sekundäroxidationsmittels verändert werden.

16. Brennerapparatur zur Verbrennung eines Brennstoffs mit in einem gasförmigen Oxidationsmittel enthaltenem Sauerstoff in einer Brennkammer eines Ofens, enthaltend Hohlraummittel (9, 7) mit Brennstoffinjektoren (6) zum Verteilen des Brennstoffs auf mindestens zwei nebeneinanderliegende, in die Brennkammer des Ofens eingeleitete Ströme und mindestens eine langgestreckte Öffnung, die entlang ihrer längsten Abmessung eine im Betrieb im allgemeinen parallel zu einer zu erhitzenden Oberfläche verlaufende Achse, bei der es sich um die Hauptachse handelt, aufweist und zum Einleiten eines Hauptteils des für die vollständige Verbrennung des Brennstoffs erforderlichen Oxidationsmittels geeignet ist, wobei die langgestreckte Öffnung den Oxidationsmittel-Hauptteilstrom so führt, daß er zu den Brennstoffströmen hin konvergiert, damit eine breite Flamme erzeugt wird, die im Betrieb weitgehend parallel zu der zu erhitzenden Oberfläche verläuft, und bei dem um die mindestens zwei Brennstoffinjektoren (3) herum Sekundäroxidationsmittel-Hohlräume (8) angeordnet sind.

17. Apparatur nach Anspruch 16, bei der die Einrichtungen zum Verteilen der mindestens zwei nebeneinanderliegenden Brennstoffströme (3) so konstruiert sind, daß die austretenden Brennstoffströme miteinander einen Winkel im Bereich von 0º bis etwa 15º bilden.

18. Apparatur nach Anspruch 16, bei der die Einrichtungen zum Verteilen der mindestens zwei nebeneinanderliegenden Brennstoffströme (3) so konstruiert sind, daß die austretenden Brennstoffströme miteinander einen Winkel im Bereich von 0º bis etwa 10º bilden.

19. Apparatur nach einem der Ansprüche 16 bis 18, bei der nur eine langgestreckte Öffnung vorhanden ist, die so konstruiert ist, daß der daraus ausströmende Oxidationsmittelstrom, der als Hauptoxidationsmittel bezeichnet wird, so geführt wird, daß er zu den Brennstoffströmen hin in einem Winkel im Bereich von 0º bis etwa 45º konvergiert.

20. Apparatur nach Anspruch 19, bei der die langgestreckte Öffnung so konstruiert ist, daß der daraus ausströmende Oxidationsmittelstrom, der als Hauptoxidationsmittel bezeichnet wird, so geführt wird, daß er zu den Brennstoffströmen hin in einem Winkel im Bereich von 2,5º bis etwa 10º konvergiert.

21. Apparatur nach einem der Ansprüche 16 bis 20, bei der jede langgestreckte Öffnung ein durch den Quotienten aus maximaler Breite und maximaler Höhe definiertes Aspektverhältnis im Bereich von etwa 2 bis etwa 8 aufweist.

22. Apparatur nach Anspruch 21, der jede langgestreckte Öffnung ein durch den Quotienten aus maximaler Breite und maximaler Höhe definiertes Aspektverhältnis im Bereich von etwa 4 bis etwa 6 aufweist.

23. Apparatur nach einem der Ansprüche 16 bis 22, bei der die Brennstoffhohlräume so angeordnet sind, daß die daraus austretenden Brennstoffströme weitgehend parallel zu der zu erhitzenden Oberfläche verlaufen.

24. Apparatur nach einem der Ansprüche 16 bis 23, bei der die Brennstoffhohlräume gegenüber der zu erhitzenden Oberfläche in einem Winkel von höchstens +10º oder -10º orientiert sind und der Hauptoxidationsmittelhohlraum so angeordnet ist, daß der Hauptoxidationsmittelstrom zu den Brennstoffströmen und der zu erhitzenden Oberfläche hin konvergiert.

25. Apparatur nach einem der Ansprüche 16 bis 24, bei der die Innengeometrie des Hauptoxidationsmittelhohlraums (9) vorzugsweise vier Teilstücke aufweist: ein erstes Teilstück (10) ist im allgemeinen zylindrisch; das zweite Teilstück (10a) ist im allgemeinen zylindrisch und weist den gleichen Durchmesser wie das erste Teilstück auf; das zweite Teilstück (10a) bildet mit der Achse des ersten Teils den Winkel (B); an dem zweiten Teilstück (10a) ist ein drittes Teilstück (11), das eine im allgemeinen konische Form mit einem Winkel (c) von etwa 10º bis etwa 120º, vorzugsweise im Bereich von etwa 10 bis etwa 45º, aufweist, kontinuierlich angebracht; und ein viertes Teilstück (12) verbindet kontinuierlich das zweite Teilstück (10a) mit der Hauptoxidationsmittelöffnung (5).

26. Apparatur nach Anspruch 25, bei der der Divergenzwinkel von Teilstück (12) gleich (c), dem Divergenzwinkel von Teilstück (11), ist.